Modern anti-windup compensator designs for flight control in multirotor UAVs

The saturation of actuators is one of the most relevant non-linearities when dealing with control systems, hence this thesis aims at describing saturation phenomena in real hardware. In literature, the problem of input saturation is commonly referred to as “windup”, while the term “anti-windup” is exploited to designate the compensation schemes to counteract such issues. Specifically, this work focuses on the application of anti-windup techniques to the flight control system of small-scale quadrotors. Nowadays, Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), widely known as drones, are becoming more and more popular both for military and civil applications; however, even though their lightweight often implies agility, the demand for thrust exceeding the maximum that can be provided by the propellers, or for tilt angles that exceed artificially imposed limits to reduce the flight speed, can induce undesirable effects (e.g. loss of performance, undesired motions). The purpose of this thesis is thus showing the consequences of input saturation in a small-scale quadrotor, as well as proposing two different approaches to face these issues: one falls under the Direct Linear Anti-Windup (DLAW) terminology, and is taken from a previous thesis on the same subject, while the other is developed following the Model Recovery Anti-Windup (MRAW) framework. The effectiveness of the first method will be verified both by simulated results and flight tests, in order to experimentally validate its efficacy; whereas the second method will introduce a different solution, to the same problem, supported by successful simulations.

La saturazione degli attuatori è una delle non linearità più rilevanti quando si tratta di sistemi di controllo, pertanto questa tesi mira a descrivere i fenomeni di saturazione in hardware reali. In letteratura, il problema della saturazione dell'input è comunemente indicato come “windup”, mentre il termine “anti-windup” è sfruttato per designare gli schemi di compensazione per contrastare tali problemi. In particolare, questo lavoro si concentra sull'applicazione di tecniche anti-windup al sistema di controllo di volo di quadrirotori di piccola scala. Al giorno d'oggi, gli Unmanned Aerial Vehicles (UAV), ampiamente noti come droni, stanno diventando sempre più popolari sia per applicazioni militari che civili; tuttavia, anche se la loro leggerezza spesso implica agilità, la richiesta di una spinta superiore alla massima che può essere fornita dai rotori, o di angoli di inclinazione che superano i limiti artificialmente imposti per ridurre la velocità di volo, può indurre effetti indesiderati (perdita di prestazioni, movimenti inaspettati). Lo scopo di questa tesi è quindi mostrare le conseguenze della saturazione degli input in un quadrirotore di piccola scala, oltre a proporre due diversi approcci per affrontare queste problematiche: uno rientra nella terminologia Direct Linear Anti-Windup (DLAW), ed è tratto da una precedente tesi sullo stesso argomento, mentre l'altro è sviluppato seguendo il contesto del Model Recovery Anti-Windup (MRAW). L'efficacia del primo metodo sarà verificata sia da risultati simulati che da test di volo, al fine di validare sperimentalmente la sua efficacia; mentre il secondo metodo introdurrà una soluzione diversa, allo stesso problema, supportata da simulazioni di successo.